基于RTDS/CBuilder的DFIG通用励磁控制模型开发

方 苇，钱珞江，胡玉岚

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.广东电网公司电力科学研究院，广东广州 510600）

基于RTDS/CBuilder的DFIG通用励磁控制模型开发

方 苇1，钱珞江1，胡玉岚2

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.广东电网公司电力科学研究院，广东广州 510600）

基于RSCAD/CBuilder采用自定义编程技术开发一套双馈式感应风力发电机（DEIG）的通用励磁控制模型。该模型控制策略依据网侧变换器电网电压定向、转子侧变换器定子磁链定向矢量控制原理；模型的人机交互界面根据面向对象设计理念，形成参数输入对话框；模型的实时运行程序采用C语言编程技术，并针对信号相位提取、相位斜率计算给出相应的设计方法。本文还以实例对比法对所开发模型进行了通用性和精确性验证，结果表明：该模型可便捷地应用于不同系统频率、功率等级DEIG的RTDS仿真实验并大幅提高建模效率。

双馈式感应发电机；励磁控制；实时数字仿真器；自定义元件；人机交互

0　引 言

在风力发电领域，双馈式风力发电机（doublyfed Induction generator，DEIG）是变速恒频风力发电的主流机型，其励磁控制为风力发电系统的重要组成部分［13］。目前，基于实时数字仿真器（real time digital simulator，RTDS），已有大量针对理想电网电压条件下DEIG励磁控制策略的研究，其中网侧变换器采用电网电压、转子侧变换器采用定子磁链矢量定向控制策略已经广泛应用于工业试验［45］。但在风力发电控制系统投产之前，为了研究DEIG励磁控制特性，有必要在仿真平台上构建励磁控制模型。当针对不同系统频率、功率等级的DEIG励磁控制进行建模时，由于控制参数的不同且所需的元件繁多，势必会反复地调整控制模型以及占用过多的硬件资源，从而影响建模效率和仿真规模。

本文首先依据网侧变换器电网电压定向、转子侧变换器定子磁链定向矢量控制的策略，采用CBuilder自定义技术设计DEIG励磁控制的参数输入通用对话框；其次，针对程序设计中获取0～2π的相位以及计算相位斜率给出相应的解决方法，并提出自定义元件实时运行程序的编写流程；最后，通过本文所开发的通用控制模型和RTDS/RSCAD库元件组合模型进行仿真对比，验证了该DEIG通用控制模型能够应用于不同类型的DEIG风力发电系统。

1　DFIG励磁控制策略

DEIG采用两个背靠背的两电平电压型PWM变换器进行交流励磁，其运行控制主要是对网侧变换器和转子侧变换器的控制。为了保证直流母线电压的稳定和输入电流正弦，网侧变换器一般采取电网电压定向，由电流内环和电压外环组成；转子侧变换器采用定子磁链定向，通过分别控制转子电流q轴分量、d轴分量以控制定子输出有功、无功功率，从而实现有功和无功功率的解耦控制［68］。两侧变换器的控制策略如图1所示。

图1　DEIG励磁控制框架

2　DFIG通用励磁控制模型设计

RTDS/CBuilder是RTDS公司提供的可根据需要自主开发自定义元件的一种平台［9］。用户所自定义的元件由3个不同后缀的基本文件编译后生成：.def图形用户界面源程序代码文件、.h用户输入参数定义文件和.c实时运行源程序代码文件。其自定义元件设计流程如图2所示。

图2　自定义元件设计流程

2.1模型输入/输出通道及参数定义

在设计自定义元件模型的图形用户界面（输入/输出通道）过程中，由图1所知，网侧变换器控制需采集的输入量为三相电网电压、三相网侧IGBT电流、直流母线电压，转子侧为三相定子电压、三相定子电流、三相转子电流、转子位置角。其中转子位置角用于对转子电流进行定子磁链定向，可直接从异步电机模型内部监测，因而当设计自定义模型输入通道时将其作为输入量。由于目前条件下自定义开发的元件只能在大步长系统中运行，所设计的DEIG通用控制模型输出量为PWM调制波。

从图3中可看出，元件的输入参数均为设备铭牌参数且其单位采用国际标准。其中：

①网侧变换器：

Ereq—系统额定频率，Hz；

POWERRATED—电机额定容量，MVA；

VACGRID—电网额定电压，KV；

VSTATARATED—电机定子额定电压，KV；

LGRID—网侧进线电抗器的电感值，H；

VCAPBSAE—直流母线额定电压，KV；

②转子侧变换器：

Ereq—系统额定频率，Hz；

POWERRATED—电机额定容量，MVA；

VSTATARATED—电机定子额定电压，KV；

UOPEN_ROTO—转子开路电压，KV；R_STATOR—定子电阻，Ω；

X_STATOR—定子电抗，Ω；

X_MAGNETIZING—激磁电抗，Ω；

X_ROTOR—转子电抗，Ω。

图3　模型参数输入对话框

2.2实时运行程序

当采用CBuilder对DEIG励磁控制进行程序编写时，由于RTDS公司不会开放其元件的源代码，其运行程序的编写过程主要存在以下几个难点：

①为了获得转差电角速度ωslip，需要计算转子电流参考相位的斜率。由于信号相位在过零点处会发生阶跃，这必然会导致斜率突变，因而必须对斜率阶跃点进行处理，如图4所示。

图4　RTDS信号相位

段落 true="1">② 由于RTDS中的信号相位处于0～2π范围内，其变化规律如图4所示，当设计数字锁相环PLL时有必要对积分后的相位进行处理［10］。

图5　计算信号相位的斜率

针对难点2，信号相位的变化规律有两种方式：0到2π呈正斜率、负斜率变化，如图5所示。为了保证在不同变化规律下输出相位在0～2π范围内，通过引入比较环节、选择开关和检测积分值的斜率以设计PLL，其中斜率检测环节可参考图5中方法，信号相位提取的设计思路如图6所示。

图6　信号相位的提取

在解决上述两个设计难点之后，依据DEIG的控制框架编写相应的程序，其整体设计流程如图7所示。DEIG通用控制模型的源程序采用C语言编程技术，其实时运行源程序代码文件（.c）主要由3段组成：STATIC区声称全局变量，如积分环节中需要实时更新的变量或在CODE中数值保持恒定的变量，且参数输入对话框中变量也为全局变量；RAM区完成全局变量的初始化以及计算；CODE区实现局部变量声称以及主程序的编写。

在编写CODE区的主程序过程中，为了保证所编写的控制程序能够应用于不同类型的DEIG，同时也要避免反复调整控制当中的PI参数，先对所有采集信号进行标幺化，并将所有PI参数设为最佳给定数值。

图7　DEIG励磁控制程序设计流程

3　仿真实验

为了验证所开发模型的通用性和精确性，本文针对频率为50Hz、额定功率为2.0MW的DEIG风力发电系统，建立两组励磁控制模型。一组为由RTDS/RSCAD库元件组合而成的模型，另一组为基于RTDS/CBuilder所建的DEIG通用控制模型，其风力发电系统参数如表1所示。

当保证其他控制输入量不变时，分别在阵风和渐变风模型下对所建两组励磁控制模型进行仿真。阵风模型采用初始风速为10m/s，最高风速为14m/s，总共持续时间为2s；渐变风模型采用初始风速为10m/s，最高风速为13m/s，总共持续时间为1s。并选取风力发电系统中两组控制量作为对比，即直流母线电压和风力发电系统输出功率，如图8和9所示。为了验证程序设计当中所采用的相位提取、斜率计算方法的正确性，在仿真过程中监测DEIG通用控制模型内部的定子磁链参考相位和转差电角速度，如图10和11所示。

表1　2.0MW风力发电系统的主要参数

图8　阵风条件下直流母线电压和系统输出功率仿真波形

图9　渐变风条件下直流母线电压和系统输出功率仿真波形

图10　阵风条件下转差电角速度和定子磁链参考相位

图11　渐变风条件下转差电角速度和定子磁链参考相位

从图8和9可以看出，在风速突变过程中两组励磁控制模型的直流母线电压和系统输出功率具有完全相同的变化趋势。从图10和11可以看出，自定义所建模型的定子磁链参考相位达到了RTDS库元件相同的仿真效果。虽然自定义模型所得的转差电角速度有些振荡，但变化趋势一致且不影响整体控制精度，其振荡误差与计算步长有关。

4　结束语

本文基于RTDS/CBuilder所开发的DEIG通用励磁控制模型与RTDS/RSCAD库元件组合模型具有相同控制特性，且主程序设计中所采用的信号相位提取、斜率计算方法达到了库元件同样的仿真效果。该通用励磁控制模型的参数输入对话框能够实现在不同系统频率、功率等级DEIG风力发电建模过程中参数的灵活调整，且C语言运行程序可移植于其他数字仿真器。

［1］ 贺益康，胡家兵，徐烈.并网双馈异步风力发电机运行与控制［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［2］ 吴聂根，程小华.变速恒频风力发电技术综述［J］.微电机，2009，42（8）：69 72.

［3］ 李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真［J］.中国电机工程学报，2004，24（9）：100 106.

［4］ 孙秋霞，李伟力，程鹏.电网波动下双馈风力发电励磁系统的仿真分析［J］.现代电力，2006，23（4）：29 34.

［5］ 刘静波，肖文静，周宏林，等.基于RTDS的风电网侧变流器半实物实验［J］.电力电子技术，2013，47（10）：20 21.

［6］ Anca D.Hansen，Elorin Iov，Poul Sorensen，et al. Overall control strategy of variable speed doubly-fed induction generator wind turbine［C］//Nordic Wind Power Conference，2004，1 2 March 2004.

［7］ 苑国锋，李永东，柴建云.变速恒频双馈风力发电机组励磁变频器的研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（8）：90 94.

［8］ 董琳琅，王永，周飞.2MW双馈风力发电系统建模与仿真研究［J］.电力电子技术，2010，44（6）：2 4.

［9］ 贾旭东，李庚银，赵成勇，等.基于RTDS/CBuilder的电磁-机电暂态混合实时仿真方法［J］.电网技术，2009，33（11）：33 38.

［10］张治俊，李辉，张煦，等.基于单/双同步坐标系的软件锁相环建模和仿真［J］.电力系统保护与控制，2011，39（11）：138 144.

（责任编辑:杨秋霞）

Development of General Excitation Control Model for DFIG Based on RTDS/CBuilder

EANG Wei1，QIAN Luojiang1，HU Uulan2
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Guangdong Electric Power Research Institute，Guangzhou 510600，China）

In this paper，a set of general excitation control model for doubly-fed induction generator（DFIG）is developed based on RSCAD/CBuilder by using custom programming technology.The model control strategy is determined according to the grid voltage orientation of converter at grid side and the stator flux orientation of converter at rotor side.Based on object-oriented design concept，parameter input dialog box is built on man-machine interactive interface of model.The real-time operation program is compiled with C language and can provide design method for extraction of signal phase and calculation of phase slope.In the end，the versatility and accuracy of the developed model are verified with an example.Results show that the model can be applied to RTDSsimulation experiment with various types of DFIG conveniently and can improve modeling efficiency greatly.

doubly-fed induction generator（DFIG）；excitation control；real time digital simulator；custom component；man-manchine interactive

1007-2322（2015）02-0076-06

A

TM614

2014-05-19

方 苇（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统仿真及其应用，E-mail：fangwei_whu@163.com；

钱珞江（1961—），男，副教授，博士，研究方向为电力系统仿真及其应用；

胡玉岚（1974—），女，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护及自动化。

南方电网公司科技项目（K-GD2012-326）